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操作系统引论

操作系统 (Operating System, OS) 是管理计算机硬件并为计算机程序提供服务的软件。它作为用户应用程序与硬件之间的中介。

目标与功能​

主要目标​

  1. 方便性：使计算机系统易于使用。
  2. 效率：以高效的方式利用计算机硬件。
  3. 吞吐量：最大化单位时间内完成的工作量。

核心功能​

  • 资源管理：CPU、内存、存储和 I/O 设备。
  • 进程管理：创建、调度和终止进程。
  • 内存管理：内存空间的分配和保护。
  • 文件系统管理：在持久存储上组织数据。
  • I/O 设备管理：处理硬件中断和驱动程序操作。
  • 安全与保护：确保系统完整性和数据隐私。

操作系统演进历史​

操作系统的发展可以追溯到几个关键阶段：

  1. 批处理系统 (1950s)：相似的任务被组合在一起并作为一个批次运行。执行期间没有用户交互。
  2. 分时系统 (1960s)：多个用户通过终端同时与系统交互。CPU 在任务之间迅速切换。
  3. 个人计算 (1970s-80s)：专注于个人用户的界面和响应性（例如 DOS、早期的 Windows/macOS）。
  4. 微内核与分布式系统 (1990s)：最小化内核功能并实现跨网络机器的计算。
  5. 虚拟化与云 (2000s 至今)：在同一硬件上运行多个操作系统实例（管理程序）和容器化。

操作系统结构​

单体结构 (Monolithic Structure)​

整个操作系统作为一个单一的大程序在内核模式下运行。所有服务共享相同的地址空间。

  • 优点：开销低，性能高。
  • 缺点：难以维护；一部分故障可能导致整个系统崩溃。
  • 例子：Linux、传统 Unix、MS-DOS。

微内核结构 (Microkernel Structure)​

从内核中移除所有非核心组件，并将它们实现为系统级和用户级程序。

  • 优点：高可靠性和可扩展性。
  • 缺点：频繁的进程间通信 (IPC) 导致性能开销。
  • 例子：Mach、L4、QNX。

模块化与混合结构 (Modular & Hybrid Structure)​

现代操作系统通常采用混合方法。核心是单体的以保证性能，但通过可加载内核模块 (LKM) 添加功能。

  • 例子：Windows NT、macOS (XNU 内核)。

用户模式与内核模式​

现代处理器通过执行模式提供硬件支持，以保护操作系统免受用户程序的干扰。

  • 用户模式 (User Mode)：对硬件 and 内存的访问受限。应用程序运行在此模式。
  • 内核模式 (Kernel Mode)：不受限地访问所有硬件、CPU 指令和内存。操作系统核心运行在此模式。

模式位 (Mode Bit)​

一个硬件标志位指示当前模式。某些“特权”指令只能在内核模式下执行。

系统调用 (System Calls)​

系统调用提供了运行程序与操作系统之间的接口。它们是用户模式程序向内核请求服务的唯一方式。

系统调用机制 (陷阱/Trap)​

  1. 用户程序将参数放入寄存器/栈中。
  2. 执行特殊指令（例如 INT、SYSCALL）。
  3. 硬件切换到内核模式并跳转到预定义的陷阱处理程序。
  4. 内核识别系统调用号并执行相应的例程。
  5. 内核返回结果并切换回用户模式。